[科普中国]-高炉炉料运动-

力学分析

炉料在高炉内连续下降的条件是炉料下方不断提供空间和炉料本身的重力超过它在下降过程中遇到的阻力。炉料得以下降的空间是由3个过程提供的：（1）焦炭中的碳在直接还原中被铁矿石中的氧所氧化和在风口前燃烧气化而消耗；（2）炉料下降过程中料块重新排列，小块不断充填于大块之间，且随温度升高逐渐软熔使体积缩减；（3）排渣、出铁。这些因素中以风口前焦炭燃烧引起的体积缩减最大，因而对炉料运动状态的影响也最大。炉料下降所遇到的阻力有：（1）炉墙与炉料间的摩擦力；（2）不同下降速度的料块间摩擦力；（3）煤气流的支托力，这种力相当于炉料在流体中受到的浮力。这种关系可用数学式表述：

F=（W料-p墙-p料）-△p=W效-△p

式中F为决定炉料下降的力；W料为料重；p料，p墙为料、墙间和料块间摩擦力的垂直分量；△p为煤气通过料层的总压差；W效为料自重扣除炉料间及料、墙间摩擦力（其垂直分量）后的质量，称为炉料的有效质量。显然，只有F>0时炉料才能下降。F值愈大，W效较△p大得愈多，愈利于炉料顺行；F≈0或F0使炉料继续下降，这一操作称为坐料。原料粉末太多或煤气量过大时，粉料可能向运行阻力小的方向流动或被吹向炉顶，由此在料柱内形成一个没有规整形状的上下连通的管道状区域，此区内料极疏松，煤气上升阻力极小，这种现象即称管道行程。在滴落带，焦炭充填层内向下流动的熔渣与逆向上升的煤气流相遇，当煤气流速达到某一数值时，熔渣会被吹到上方，即发生液泛，被吹回上方的熔渣在低温区重新凝固，有可能引起悬料；液泛如发生在边缘，则可能导致炉墙结厚甚至结瘤。悬料、液泛等均属炉料下降的不正常状况。需通过改善原料、改进操作予以消除。2

检测及研究动向高温作业给高炉内测定带来很多困难，直至20世纪中叶，人们对炉内运行状况并不很清楚。20世纪60年代开始，前苏联、日本等国进行了大量炉体解剖调查，即在正常冶炼情况下突然停风，采用水冷或惰性气体冷却尽可能使炉内保持中断冶炼时的原状，然后自上而下逐层解体，观察、取样并做理化分析，由此判断炉料存在、运动及各种反应进行的状况。除了生产高炉，在小型试验炉上也进行过解剖调查。炉体解剖是认识高炉过程的有力手段。但限于人力、物力，不可能经常进行，而且也不易确定单因素的影响。为此，50年代以后，一些国家进行了炉内运行规律的模型实验研究。模型内型与生产高炉相似，在风口部位设排焦装置以模拟焦炭燃烧消耗。这样顶部装料、下部排料（装入及排出量按相似原理计算设定）使炉料运行状态与高炉实际相近。另外，也采用蜡球等易熔物模拟矿石，焦粒模拟炉内焦炭，从风口鼓入热风，使蜡球软化、熔滴，以了解不同送风制度下软熔带形成状况。这样的模型可随时“停炉”，然后横向放置，去除上层炉料使剖面暴露出来，借以了解炉料运行状态。靠这种模型可模拟不同炉型，各种装料制度，送风制度及炉墙结厚、破损等条件下炉料的运行状态，以供实际操作参考。

炉料料块运行方向和速度为其力学条件所支配。料层内的应力通常是用可移式土压计来测定。土压计为一光滑盒体，受压面由附有应变计的应变板支撑，土压计在某处、某方向上承受的压力以各支撑点的平均应变形式转换为电信号输出，这种土压计可埋置在料层内随料下降，受压面的压力信号通过导线输出。这种测压装置用于冷模型实验极为方便，50年代前苏联也曾用于点火前的炉内测定，但尚未能用于高温的生产高炉。近来已开始将粉体工程学的实验方法引入高炉内炉料运行的研究。由于高炉过程极为复杂，这种研究尚不成熟。炉缸内液态渣、铁的流动形态仍多用水槽法进行观测。但激光等新技术也已用于液流研究。

高温作业给高炉内测定带来很多困难，直至20世纪中叶，人们对炉内运行状况并不很清楚。20世纪60年代开始，前苏联、日本等国进行了大量炉体解剖调查，即在正常冶炼情况下突然停风，采用水冷或惰性气体冷却尽可能使炉内保持中断冶炼时的原状，然后自上而下逐层解体，观察、取样并做理化分析，由此判断炉料存在、运动及各种反应进行的状况。除了生产高炉，在小型试验炉上也进行过解剖调查。炉体解剖是认识高炉过程的有力手段。但限于人力、物力，不可能经常进行，而且也不易确定单因素的影响。

为此，50年代以后，一些国家进行了炉内运行规律的模型实验研究。模型内型与生产高炉相似，在风口部位设排焦装置以模拟焦炭燃烧消耗。这样顶部装料、下部排料（装入及排出量按相似原理计算设定）使炉料运行状态与高炉实际相近。另外，也采用蜡球等易熔物模拟矿石，焦粒模拟炉内焦炭，从风口鼓入热风，使蜡球软化、熔滴，以了解不同送风制度下软熔带形成状况。这样的模型可随时“停炉”，然后横向放置，去除上层炉料使剖面暴露出来，借以了解炉料运行状态。靠这种模型可模拟不同炉型，各种装料制度，送风制度及炉墙结厚、破损等条件下炉料的运行状态，以供实际操作参考。